本論文介紹一款高指標的超寬頻低噪聲低頻功率放大器的設計與製作。設計採用了通過集成運放NE5532、LM1875、LF357來降低噪聲,提高效率，減少失真和展寬頻帶。整個電路主要由穩壓電源、前置放大器、功率放大器、波形變換電路和保護電路共五部分構成。穩壓電源主要是為前置放大器、功率放大器提供穩定的直流電源。前置放大器主要是電壓的放大。功率放大器實現電流、電壓的放大。波形變換電路是將正弦信號電壓變換成規定要求的方波信號，設計出的低頻功率放大器各項指標能很好的達到設計要求，具有一定的實用性,為功率寬屏低噪聲放大器的設計提供了參考 前言 低頻功率放大器是模擬信號處理電路中的基單元，大量應用於各種電子產品和設備。低噪聲失真、寬頻帶、高效率的低頻放大器設計是業界直追求的目標，也是全國大學生電子設計競賽經出現的題目，而且要求的指標逐年提高。近幾年，功率放大器得到了很大的發展，成為Mp3/ Mp4筆記本計算機、可攜式DVD播放器等不可或缺的部分。在很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統的任務，這時就要在主機和播放設備之間加裝功率放大器來補充所需的功率缺口，而功率放大器在整個音響系統中起到了“組織、協調”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統能否提供良好的音質輸出。現今低頻功率放大器已經是一個技術相當成熟的領域，幾十年來,人們為之付出了不懈的努力, 經歷了幾個不同的發展階段：電子管功放 電晶體功放 集成功放等幾個不同的時段，無論從線路技術還是元器件方面都取得了飛速的發展。如今市場上的功放產品主要以集成功放為主，規格不同而且種類也很多，典型的有NE5532、NE5534、LF357、LM1875。這些優質功放模塊體積小、性能優越、保護功能齊全、外圍電路簡單、易製作易調試。本文給出一種簡單實用、製作成本低廉的實用低頻功率放大器的設計方案，並給出實際測試結果。功率放大可由分立元件組成,也可由集成電路完成。由分立元件組成功率放大器，如果進行精心的設計，則在效率和失真方面更優於集成的，價格方面便宜一點，但如果電路選擇和參數設置不恰當時，元件性能就不能很好的表現出來，製作調試比較困難。從電路的簡單性和易調性，集成電路更好些，本次設計功放採用集成電路完成。 本實用低頻功率放大器設計有兩部分組成前置放大級和功率放大級。前置放大級主要任務是完成小信號電壓放大任務，同時要求低噪聲、低溫漂。功率放大級主要任務是在允許的失真限度內，儘可能高效率地向負載提供足夠大的功率，要求是輸出功率要大、效率要高。通過詳盡的資料查詢和嚴密的方案論證後，我們選擇通過集成運放NE5532、LM1875、LF357的配套使用來使本電路系統設計簡潔、實用並且達到高增益、高保真、高效率、低噪聲、寬頻帶、快響應的指標。 第二章 總體方案設計 2.1系統指標 由於本設計不是對單一信號頻率實施放大，而是對一個輸入電壓變化幅度大（5~700mV），頻帶範圍寬（50~10000Hz ）的頻帶信號實施功率放大，所以不能只從簡單的功率放大上考慮。至少應從以下幾方面作較為全面的考慮： 1，解決本設計的電路對信號源，尤其是信號幅度小的影響。 2, 要求對整個頻帶內不同頻率範圍，不同電壓幅值信號都能均勻放大。 因此，所設計的低頻功率放大電路，既能有效實現隔離，完成電路阻抗匹配，又能在一個頻率範圍內進行信號均衡放大的實用性電路。 均衡部分，借鑑了音頻放大電路的音調控制電路，將音調控制的輸出信號送入功放，提升到所需的額定輸出功率。作為信號電路，還有波形變換電路，來增加對稱方波的輸出功能，故得設計的方框原里圖： 設計的整個電路有正弦信號源，放大通道，直流電源，負載部分組成。在放大通道的正弦信號輸入幅值大約在5——700mv，在等效負載電阻RL為8歐姆的情況下，其放大通道的額定功率應大於或等於10W。通道帶寬大於或等於50——10000Hz，在額定功率小劍俠非線性失真小於或等於3%。 2.2系統增益分配： 由於任務要求額定功率不小於10W，考慮流出50%的裕量，所以輸出功率應該在15W以上，同時輸出電阻負載為8Ω。 系統的最大增益為 系統的最小增益為 所以在整個放大電路的增益應該在27.7dB~71dB範圍內可調。為了保證放大器的性能，單級放大器的增益不宜過高，通常20~40dB（放大倍數在10~100倍之間） 則需整個放大電路的增益應在27.7 dB～71dB範圍內可調。為保證放大器性能，單級放大器的增益不宜過高，通常在20-40 dB(放大倍數10～100倍)之間。故整個放大器增益需通過三級放大實現。為方便增益調整，可使功放級的增益固定，且必須小於65dB ，故其增益取為21 dB．則前置級需要兩級放大，且其總增益應在1～45dB之間可調。 2.3總體方案 系統原理方框圖如圖1所示。根據題目任務, 我們設計有四個基本電路：前置放大級電路、波形變換電路、穩壓電源電路、功率放大電路。 圖1系統原理框圖 其中前置級主要完成信號源的電壓放大任務，由於從信號源輸出的小信號非常微弱, 只有經過放大之後, 這種信號才能激勵功率放大器。為驗證功放的性能 ,特設計正弦波- 方波轉換電路 ,因為方波中含有豐富的高次諧波分量 ,可通過對方波信號的測試來檢驗功放的轉換速率、 失真度、波形轉換器電路的功能：一是要將信號源輸的1000Hz正弦波變為正負極性對稱的方波，且Vp-p=200mV；二是方波信號要經過放大通道進行放大，使輸出達到額定功率≧10W。直流穩壓電源部分給前置放大級、功率放大級、波形轉換電路供電，且各個集成運放晶片的工作電壓均為18V。因此選用W7818、W7819三端集成穩壓器輸出正、負18V電壓。功率放大級則實現對信號的電壓和電流放大任務。該系統是一個低噪聲、高保真、高增益、快響應、寬頻的音響與脈衝傳輸、放大兼容的實用電路。下面對每個單元電路分別進行論證。 第三章 單元模塊設計 3.1波形變換電路： 採用施密特觸發器進行變換與整形。而施密特電路可用高精度、高速運算電路搭接而成，也可採用專用施密特觸發器構成，還可以選用NE5532電路構成。 直接採用施密特觸發器進行波形變換與整形，選用高精度、高速運算放大器LF357構成施密特觸發器。根據題目要求，變換後的方波要正、負對稱，頻率為1000Hz，上升和下降時間 ≤1us，電壓的峰-峰值為200mV。因為LF357屬於FET管，具有良好的匹配性能，輸入阻抗高、低噪聲、漂移小、頻帶寬、響應快等特點，完全可以滿足技術指標要求。 圖2 波形變換電路 設計電路如圖2所示，我們直接採用施密特觸發器進行波形變換與整形，選用高精度、高速運算放大器LF357構成施密特觸發器。根據題目要求，變換後的方波要正、負對稱，頻率為1000Hz，上升和下降時間 ≤1us，電壓的峰-峰值為200mV。因為LF357屬於FET管，具有良好的匹配性能，輸入阻抗高、低噪聲、漂移小、頻帶寬、響應快等特點，完全可以滿足技術指標要求。 圖2電路中，C1和C2為脈衝加速電容，可以減少方波脈衝上升時間和下降時間,可以取56pF和100pF。RW可以將輸出幅度調整至200mV，可選用5.6K。R4為限流電阻，限制穩壓二極體電流D1，D2保證輸出方波幅度穩定。 在該低功率放大器的設計過程中，應注意以下幾點： 1、當多級電路相連時，須注意地線的處理。應嚴格一點接地。接地是抑制噪聲和干擾的重要手段。常用的接地方式有逐級串聯接地法與並聯一點接地法。應根據具體情況採用或同時採用。各級之間宜採用串聯接地為主，輸出地負載地電源地應採用並聯一點接地，並接機殼，這樣有利於抑制放大器的自激。 2、為保證充分發揮電路的性能，電源電壓應使用推薦值，不可使用極限值，以免造成不可挽回的損失，但也不可降額使用，以免造成電路性能劣化或達不到標稱指標。 3、各級的輸入線，前置電路輸入輸線，出線最好採用屏蔽以極大地降低感應噪音，提高信噪比。 4、前置級宜獨立供電最好採用前級伺服電源或可調電源板供電，如引自末級功放，須加電阻限流，三端集成穩壓器應加退耦電路以杜絕通過電源產生的調製失真。 |
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